1.3.2　能量儲存技術的研究現狀

能量的轉換、儲存與再利用,是指由于系統功率不匹配而產生的過剩能量,或者是由于系統工作狀態改變損失的能量(如汽車制動動能和挖掘機下降過程的重力勢能)的回收與重新利用,如圖1?2所示。

目前,常用的儲能元件與系統種類很多,主要有液壓蓄能器、蓄電池、超級電容器和飛輪四種。

(1)液壓蓄能器

在二次調節靜液傳動系統中,系統的能量以液壓能的形式儲存在液壓蓄能器中,具有逆向功能的二次元件,可實現機械能等其他形式能量和液壓能之間的相互轉化。在能量儲存時,它工作在“液壓泵”工況,將產生的高壓油以液壓能的形式儲存在液壓蓄能器中,實現能量的回收和轉換儲存;在能量釋放時,它工作在“液壓馬達”工況,液壓蓄能器釋放儲存的高壓油,帶動液壓馬達工作,實現液壓能的重新利用。

液壓蓄能器主要有氣囊式、重錘式和彈簧式等結構形式,其中應用最為廣泛的是氣囊式液壓蓄能器。氣囊式液壓蓄能器是在鋼制的壓力容器內裝有氮氣和液壓油,中間以皮囊隔開,其工作原理是利用密封氣體的可壓縮性來儲能。氣囊式液壓蓄能器各個零部件的設計、制造技術相對比較成熟,性能可靠,易于生產與工程應用。德國的MAN 公司、日本的Mitsubishi 公司先后開發研制了采用氣囊式液壓蓄能器的液壓儲能系統,應用于公交客車傳動系統上,經對研制的樣車測試,其燃油經濟性可提高25%~30%[38]。目前,該儲能系統已應用在西方國家的一些城市公共汽車上,取得非常好的節油效果,并顯著降低了車輛的尾氣排放。

常規液壓蓄能器一般使用鋼質材料,其能量密度較低。而近幾年在美國出現了一種新型的液壓蓄能器,它是利用碳纖維和玻璃纖維繞制而成的,其耐壓能力基本上與鋼質液壓蓄能器相當,而其質量卻只有鋼質液壓蓄能器的幾十分之一,因此大大提高了液壓蓄能器的能量密度[39]。

(2)蓄電池

蓄電池是以電化學能的方式儲存能量[40]。自法國人普特1895年發明鉛酸蓄電池以來已有一百多年的發展歷史了。近年來,由于該技術日趨成熟、性能穩定可靠、經濟實用,在能源再生系統中作為儲能裝置應用非常廣泛,特別是在電動汽車上鉛酸電池得到了非常廣泛的應用。在車輛制動時,能源再生系統的發電機/電動機處在“發電機”工況,在車輛慣性作用下發電機工作,將車輛制動動能轉化為電能,儲存在蓄電池中;在車輛起步加速時,處在“電動機”工況,在蓄電池儲存電能的作用下驅動車輛運行[41]。

蓄電池的種類很多,有鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鉛酸蓄電池等。從技術、性價比來看,目前使用最為廣泛的還是鉛酸電池。但鉛酸蓄電池是一個復雜的電化學工作系統,存在功率密度低、充放電次數少、受溫度影響大、循環使用壽命短等缺點;另外,鉛酸蓄電池充、放電速度慢,維護復雜,而且會造成環境二次污染等[42,43]。目前國內外研究人員正在設法改進鉛酸蓄電池的儲能性能,或尋找替代它的產品。

(3)超級電容器

超級電容器是一種新型電能儲存元件,其電容量能夠達到數千法拉,非常大,同時它還具有常規靜電電容器的高放電功率和電荷的較大儲存能力;另外,它還具有容量配置靈活、工作溫度范圍大、易實現模塊化設計、循環使用壽命長、免維護等優點,這些特性使其更適于要求非常苛刻的工作環境。近年來,由于碳納米技術的迅速發展,超級電容器的功率和能量密度逐漸提高,而生產制造成本不斷降低,進一步促進了其在許多工業領域電力儲能方面的廣泛應用[44,45]。目前,超級電容器的應用非常廣泛,不僅有利于改善分布式發電系統的可靠性和穩定性,提高配電網的電能質量,還能減小電動機車運行時對電網的沖擊、加速UPS 的啟動等[46]。

國內外的許多專家學者在超級電容器的應用方面進行了一系列探索性研究。1994年,美國能源部給出某些商業化超級電容器的性能指標:能量密度小于 5W·h/kg,功率密度大于 1000W/kg。1996年,歐共體(現歐盟)制定了電動汽車用超級電容器儲能發展計劃,以滿足其在電動汽車上的使用要求。2002年,本田汽車公司制造的電混合動力汽車使用了FCX 燃料電池?超級電容器,是目前世界上最早的燃料電池轎車。超級電容器在混合動力汽車方面的應用,美國的NASA Lewis研究中心、俄羅斯的Eltran公司也進行了大量研究,取得了一定進展。我國也非常重視超級電容器的研發,中科院電工研究所、上海交通大學等國內一些知名的科研院所與高等院校在電動汽車用超級電容器儲能技術方面進行了大量研究,盡管取得了一定進展,但與國外相比,由于種種原因,電動汽車超級電容器的應用還存在較大的差距。

(4)飛輪

自20世紀50年代開始,人們以高速旋轉的飛輪為載體來儲存負載的動能,開展了飛輪儲能技術的系列研究。飛輪儲能的能量密度大,對環境無污染的優點吸引了國內外許多學者專家和研究機構的關注。飛輪儲能在電動汽車、航天器電源、UPS 以及配電網中具有非常重要的應用價值[47?49]。近年來,隨著高溫超導磁懸浮軸承的成功研發和高強度纖維復合材料的問世和應用,解決了一些傳統軸承存在摩擦力大、高速運行時磨損嚴重、壽命短等問題,大大促進了飛輪儲能系統的發展和在工程中的廣泛應用。

高速旋轉的飛輪以動能形式儲存能量,當機械設備或液壓系統需要能量時再釋放出來重新加以利用[50?52],具有結構簡單、工作效率高、綠色環保等優點,在實際過程中有著非常好的應用前景。20世紀80年代以前,高速旋轉飛輪在飛輪軸承摩擦、高效能量轉換及風阻損耗等許多方面都存在難以克服的問題,都制約著飛輪儲能技術的進一步發展。近年來,隨著磁懸浮技術、先進電力電子技術和智能控制技術的迅速發展,飛輪儲能及其相關技術也取得了突破性的進展。同時,由于新型高強度復合材料,如碳纖維、玻璃纖維等的出現,使得儲能飛輪的制造技術也取得了突破性的發展。飛輪儲能及其相關技術已逐步邁向實用化階段[53]。

儲能效率和儲能密度是飛輪儲能系統的兩個重要技術指標。一般來說,只有當風阻損耗和軸承的摩擦力大幅度降低,儲能系統的儲能效率才能提高;另外,只有通過將飛輪的轉速增大到最高允許轉速才能提高儲能密度。目前,實際工程領域中的一些在用的飛輪儲能裝置大都存在轉速低、儲能密度小等缺點。但隨著飛輪儲能及其相關技術的不斷發展,高速飛輪儲能必將取代低速飛輪儲能。飛輪儲能技術將向著高轉速、高儲能效率、高儲能密度方向發展。為了提高飛輪儲能系統的儲能效率,延長其使用壽命,高速飛輪儲能系統的飛輪和磁懸浮軸承需采用特殊材料制作,并且飛輪旋轉室需要通過抽真空來減小其旋轉的空氣阻力。另外,可通過研發高溫超導磁懸浮軸承來克服高速運行時在用軸承壽命短、摩擦力大等缺點。

(5)幾種儲能元件性能比較

液壓蓄能器、鉛酸電池、超級電容器和飛輪等常用儲能元件的性能如表1?1所列。

由表1?1可以看出,這四種常用的儲能元件在功率密度方面,液壓蓄能器最大,超級電容器、飛輪儲能次之,鉛酸電池的功率密度最小,而且飛輪儲能的功率密度區間大。在能量密度方面,液壓蓄能器和超級電容器的較小,鉛酸電池和高速飛輪的較大。實際工程應用中,應根據不同的應用場合選擇適合的儲能元件。在表1?1中,超級電容器有安全性好,放能度最高;飛輪儲能和液壓蓄能器次之;而鉛酸電池的環保性、儲存效率、放能度和壽命都是最低的。另外,飛輪儲能具有環境友好、制造容易等優點。鉛酸電池比較適合低功率密度和高能量密度的應用場合[54]。雖然超級電容在儲存效率、放能度、維修性和安全性等方面性能優良,但能量密度較低和技術成熟度差等缺點限制了其應用。飛輪儲能的優點是提供的能量密度和功率密度大,缺點是儲能持續時間較短。綜上所述,對于功率密度要求較高的裝置,液壓蓄能器是首選[49]。總之,四種儲能元件各有其優缺點,實際工程應用中應根據具體工況來確定使用哪種儲能元件。